Modelling, analysis and experimental verification of pneumatic brake system

Abstract

Teknolojinin artmasıyla, araç güvenliği alanındaki gelişmeler otomotiv endüstrisinde çalışmakta olan araştırmacıların dikkatini çeken bir alan haline gelmektedir. Hava yastığı sistemi, şeritten ayrılma uyarı sistemi (LDWS) ve lastik basıncı izleme sistemi (TPMS) gibi sistemler araç emniyetini arttırmasına rağmen, gelişmiş teknolojilerin kullanıldığı ana çalışmalar çoğunlukla anti-blokaj fren sistemi (ABS), çekiş kontrol sistemi (TCS), elektronik stabilite kontrolü (ESC), aktif acil frenleme sistemi (AEBS) ve adaptif hız sabitleme sistemi (ACC) gibi fren sistemi ile ilgili konulara odaklanmaktadır. Bu nedenle, aracın frenleme performansına etkiyen parametrelerin anlaşılabilmesi için fren ve fren sistemi mekanizması üzerine ayrıntılı çalışmalar gerçekleştirilmelidir. Bu çalışmanın birincil hedefi, araç testleri ile doğrulanmış ve fren tepki süresi tahiminlerinde kullanılacak detaylı bir havalı fren sistemi dinamik modelinin elde edilmesidir. İkincil hedefi ise, araç tasarımı esnasında fren tepki süresini ve frenleme performansını arttırabilecek model tabanlı bir tasarım aracı geliştirmektir.Bu çalışmada, havalı fren sistemi dinamik davranışını belirleyebilmek amacıyla genel bir matematiksel model önerilmektedir. Bu amaca uygun olarak, öncelikle havalı fren sisteminin pnömatik ve mekanik alt sistemlerine ait detaylar incelenmiştir. Daha sonrasında simülasyonlar için, mekanik ve pnömatik alt sistemlere ait elde edilen matematiksel ifadeler Simulink modeline uyarlanmıştır.Simulink modelinin oluşturulması esnasında bazı sistem parametreleri literatürde bulunan temel modellerden ve bazıları ise fren sistemine ait bileşenlerin teknik veri sayfalarından elde edilmiştir. Burada daha karmaşık bir havalı fren sistemi modellemesi amaçlandığı için daha fazla sistem parametresine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu bilinmeyen parametreleri belirleyebilmek amacıyla, fren tepki süresi testleri kamalı kampana frenli bir 4x4 ağır hizmet aracı üzerinde gerçekleştirilmiştir. Bu testlere ait deneysel sonuçlar kullanılarak sistem modelindeki bilinmeyen parametreler ayarlanmıştır.Önerilen havalı fren sistemi modelinin doğrulanması amacıyla, farklı bir araç üzerinde simülasyonlar gerçekleştirilerek elde edilen sayısal sonuçlar araç testleri ile doğrulanmıştır. Burada, deneysel çalışma için prototip seviye disk frenli bir 4x4 ağır hizmet aracı kullanılmıştır.

As the technology develops, the development in vehicle safety becomes an area, which takes the attraction of the researchers who are working in automotive industry. Although systems like air bag system, lane departure warning system (LDWS) and tire pressure monitoring system (TPMS) improve the safety of the vehicle, main studies, in which advanced technology is used mostly focus on the brake system including anti-lock braking system (ABS), traction control system (TCS), electronic stability control (ESC), advanced emergency braking system (AEBS), adaptive cruise control (ACC). Thus, detailed studies should be conducted on brake and brake system mechanism to understand, which parameters affect the braking performance of the vehicle.Primary aim of this study is to obtain a detailed dynamic model of pneumatic brake system that will be verified with vehicle tests and be used for response time prediction on vehicle level. Secondary aim is to develop a model based design tool, which will be able to improve the response time and also the brake performance during the design stage of vehicles.In this study, a general mathematical model is proposed to determine the dynamic characteristics of pneumatic brake system. For this purpose, first of all the details of pneumatic and mechanical subsystems of the air brake system are investigated. After that; in order to be able to execute the simulations, mathematical equations of the mechanical and pneumatic subsystems are derived and these equations are adapted to the Simulink model. When constructing the Simulink model, some system parameters are obtained from the basic models in the literature and some are taken from the technical datasheets of the brake system components. Since a more complicated pneumatic brake system is aimed to be modeled, much more system parameters are required to be estimated. To identify those unknown parameters, response time tests were performed on a 4x4 heavy-duty vehicle equipped with wedge drum brakes. The experimental results of those tests are used to tune the system model for the unknown parameters. For verification, simulations, which include proposed pneumatic brake system model, are performed on a different vehicle and these numerical results are verified with the vehicle tests. Here a prototype 4x4 heavy-duty vehicle equipped with disc brakes is used for the experimental study.